磁致伸缩型其它磁传感器和传动器

磁致伸缩型其它磁传感器和传动器
作者：吴安国




       磁致伸缩型磁传感器除了采用非晶材质伸缩材料外，还有利用待测物本身（例如钢轴）的磁致伸缩效应和采用其它磁致伸缩材料制作的。本文介绍几种这样的磁传感器，作为“磁性传感器的现状与未来”的第三部分。

1、磁头型扭矩传感器

1.1原理与结构

       磁头式扭矩传感器的原理与螺线管式扭矩传感器基本相同，不同之处是利用钢轴本身的磁致伸缩效应和利用装有U型磁芯的检测线圈（磁头）进行检测。当磁钢轴收到扭矩作用时，在与轴向成±45°方向呈现各向异性，其差与所受扭矩成正比。利用两磁头和两电阻构成的桥路，可非接触式地（磁芯端面距轴表面约1mm）检测这一差值，也就测出了扭矩。

       这种方式因利用钢轴本身的逆磁致伸缩效应，所以，一般来说，应力-磁性转换效率不高；而且由于轴圆周方向的不均匀性，必然引起零点和灵敏度随轴转动而变化。因此，精度（尤其是瞬间扭矩应答性）等方面不如螺线管式的好。如果能改进这些性能，适用性还是很大的。

       上述圆周方向的不均匀性有：1）磁性的不均匀性，他引起的零点变动称为固有变动；2）伴随轴转动的轴-磁头间隙的变动，他引起的零点变动称为外因性变动除去。

1.2性能的改进

1）灵敏度对空隙变化的自补偿

       检测磁头与轴表面间的空隙变大时灵敏度下降。但是，在磁头（包括轴）品质因数大于10时，用电路可进行自补偿，在桥路中LC谐振产生正弦波电流，灵敏度成正比，满足共振条件时电流最大。因此，如果预先将驱动频率定的高些，当空隙变大时，满足共振条件，灵敏度就得到了补偿。

2）用正交震动法降低磁滞

       轴表面的90°畴壁的钉扎，使输出具有磁滞现象。如果降低这种钉扎效应，就可降低磁滞。长野等人提出叠加振幅较大的交淹磁场可驱动90°畴壁。他是用另外两个磁头（其两极连线方向与检测磁头两极连线方向互相正交）产生正交的交流磁场来振动90°畴壁。

对于φ25.4mm的S45C碳钢轴，实验数据表明，当励磁电流为10kHz、100mA，正交震动场电流为1kHz、800mA时，曲线磁致基本消失，而且灵敏度和输出电压大幅度的增大。

3）涂覆均匀的磁致伸缩层

       由于钢轴磁性的不均匀性，使磁头式转矩传感器的旋转对称性差。为了改进这一缺点，可在轴表面用电镀和等离子喷涂法涂覆磁性均匀的磁致伸缩层。例如，对φ12mm的S45C钢轴喷涂300μm厚的Ni层，瞬间扭矩的检测精度由原来的±16%/全刻度（全刻度为20Nm）变为±4%/全刻度，有了大的改进。如果将检测磁头设置在轴的两侧进行平均化，精度可改进到1.3%/全刻度。

4）励磁场效果

       增大励磁场有利于提高灵敏度和线性，周向输出偏移减小。因为这时磁化状态主要由励磁场决定，磁致伸缩只起次要作用。磁化过程除壁移外，还有转动过程，畴壁钉扎几率减小。在励磁频率为20kHz，励磁电流为400mA时，灵敏度为0.37mV/Nm，磁致为0.3%，周相输出偏移为0.9%全刻度。

2、磁各向异性应力传感器

       磁各项异性应力传感器是根据在磁体上加应力时，由于磁致伸缩逆效应形成的磁各向异性来检测应力大小和方向的应力传感器。他能非接触式测的检测磁铁内部一定深度的应力，适用于钢铁构件。钢轨等的应力检测。例如钢轨焊接和热胀冷缩引起的应力分布。

2.1原理和结构

       它由2个U型坡莫合金磁芯勾陈，其中一个是励磁磁芯，其两极面四E1、E2；另一个是检测磁芯，两极面是D1\D2.E1~E2连线和D1-D2连线互相垂直。磁芯极面与被测体之间有一定的空隙。在两磁芯的腿部绕上励磁线圈和检测线圈。

2.2磁滞问题

        在样品未经退磁时，输出电压应力特性曲线出线磁致现象，而且改变励磁电流和励磁频率均不能改善磁致。要消除磁致，必须采用交流退磁法；在样品反面安装退磁用的电磁铁，退磁磁通的流向与应力方向垂直。用民用电源通过调压器加上最大为50V的交流电压，在10秒钟内将交流电压从50V将为零。

3 线爆喷涂膜转矩传感器(7)

       在采用非晶磁致伸缩材料傲的转矩传感器中．非品薄带用牯接剂粘贴在轴的外周表面， 由转矩产生的剪切应力通过粘接剂传递给非晶薄带．因此传感器的可靠性取决于牯接剂的附着力。近年，对在恶劣环境下也能使用的传感器的需求日益迫印．这样的传感器最好不用粘接剂。因此需要开发一种附着力强的高磁致伸缩膜，线爆喷涂膜就是其中之一，它利用对基板的投锚效应可获得高粘附力，最大可达26kg／mm ．

3．1线爆赜涂膜的制作

        线爆喷潦法采用通常的高压充放电装置．基本电路 充电电容器电容20F．最高充电电压30k~。待喷涂的线材接于两接点之间，在放电所产生的脉冲大电流下瞬间熔化，其内部气化为爆发气体． 以1 000m／s的速度使线材外周的熔化部分变为 数p,m的微粒，以雾状喷涂在基板上．由于

        这种高速高温微粒的投锚效应，在基板和膜之间形成数 m的扩散固溶层．具有强的牯附力。

       为了得到牯附力强的膜，又要有较高的效率，需要调整单位体积线材的投入能量．使线材的气化部分和变成微粒的部分有一适当的比例。对于Fe、Ni线材而言，最佳喷涂条件为：线径r=0．6m121．线长?一30mm，放电能量5．8kJ(充电电压24kV)．线材与基板阔距I2171m。

5．2线爆喷涂膜转矩传感器

       由于这种制膜方法基板几乎不受热影响，因此可用通常的乙烯树脂胶带作掩模在轴上用此胶t廿形成斜条形掩模后，轴与线材垂直放置．将轴每次转过45。，从8个方向反复喷涂8次就可到得斜条形膜。若要形成合金膜，可将组成元素交替喷涂 喷涂后进行热处理， 真空度为0．1Pa， Ni膜500℃ ×3h，Ni-Fe膜l O0 0℃ ×lh．

       利用这种斜条形膜构成双磁芯多谐振荡器桥路(MVB，就可制成转矩传感器。该膜的电感困转矩。而变化，使电桥不平衡而产生输出电压 。可获得没有磁滞，线性良好的 —a特性 当电源电压E。=7．5V时，NiyFe膜和Ni膜制作的传感器的灵敏度分别是1 l mV／／,g·112和5．5mV／kg·m．只有用非晶薄带的。徂由于 —d特性的线性很好，可进行充分的电补偿。

4 巨磁致伸缩传动器(8)

4．1巨磁致伸缩材料

       巨磁致伸缩材料还应具备其它的特点：I)选择不同的材料， 可得到正负磁致伸缩：2)居里点高，磁致伸缩量的温度特性可调：3)可低电压驱动(低磁场下可获得太的磁致伸缩)；4)^～／-／曲线磁滞小，可调整；5)答速度快；6)临界频率(涡流急增时的频率)可用小直径棒或叠层化来提高；7)可进行非接触式驱动。

4、2巨磁致伸缩传动器

       巨磁致伸缩材料主要用于传动器。前面所讲的大部分磁致律缩型传感器都是利用磁致伸缩逆效应。而传动器则是利用在预压缩应力下的磁致伸缩(正)效应，即在磁场下长度的伸缩。一般说来，：饱和磁致伸缩系数^s随预匪缩应力增犬而增大，而且在某一磁场区域内^~H曲线直线上升，这个线性区就是工作医。调节预压缩应力和偏磁场可找出佳工作状态， 一般分剐为1 25k~f／cm。和I6kA／m。

       典型的磁致伸缩传动器的结构如图4所示。中心的磁致伸缩材料( 6)(S0mm)的下端用夹具固定，上端通过伸缩传递轴和弹簧给磁致伸缩材料加上预压缩应力。磁致伸缩材料的周围是产生驱动场的线圈和冷却线圈用的铜水管。偏场用的永磁体设置在稍离磁致伸缩材料两端的地方。外嗣是磁轭(碳钢)它与永磁体、磁致伸缩材料一起构成封闭磁路，以防漏磁。伸缩传递轴等其它零件均是非磁性不锈钢制成。

       在驱动场(伸缩量)一定的情况下，传动器可用作开关式传动器；当驱动场可调时，可用作定位用传动器；当驱动场为正弦波磁场时，可激励振荡，用于音响和励振器。

4．5巨磁致伸缩传动器在微型机虢中的应用

       巨磁致伸缩传动器的主要元件是磁致伸缩材料、线圈和磁轭。材料的小型化可提高频率特性，其临界频率fc=2p／~ D。，D是直径，。当D从10ram降为Il~lgl时， ，c从0．7kHZ增至6．8kHz。现在可达到的最小尺寸是：圆柱 1 x 5mm：长方柱0．5xI x5ram；圆筒 6X 4X 5mm。线圈尺寸最小为 1．0X1．5mm (有绕线架)和 0 8X 0．5 XI．3mm(无绕线架)。但是，另一方面，小型化也会产生驱动场(电流)变小和伸缩量变小的问题。因此，有时仅将磁致伸缩材料小型化，同时还在研究将材料薄膜化、一叠层化。检查非磁性管道的微型机械正在研制中，它能在 6mm阿管道中以0．5mm／s的速度移动。另外，扫描隧道显微镜用的精密定位传动器已接近实用水平。




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